БЕТАТРОН С КОРРЕКТИРОВКОЙ ОСИ ВЫВЕДЕННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2023 года по МПК H05H11/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком.

Известен бетатрон с выведенным электронным пучком, содержащий секторные обмотки, которые формируют секторное возмущение, позволяющее увеличить радиус орбиты ускоренных электронов до радиуса освобождения от фокусирующих сил магнитного поля, исказив орбиту электронов таким образом, что вылет в краевое магнитное поле происходит на заданном азимуте в заданном направлении.

Основной недостаток бетатрона с выведенным электронным пучком - это смещение оси электронного пучка при изменении номинальной энергии ускоренных электронов. После освобождения от фокусирующих сил магнитного поля, электронный пучок двигается в краевом магнитном поле и под действием силы Лоренца формируется электронный пучок с определенной траекторией. Ускорение в бетатроне происходит в нарастающем магнитном поле. Чем выше энергия ускоренных электронов, тем выше индукция основного и соответственно краевого магнитного поля. Поэтому для разных энергий ускоренных электронов, под действием разного значения силы Лоренца в краевом магнитном поле, выведенный электронный пучок имеет разный радиус криволинейной траектории. Указанная особенность бетатрона вызывает смещение оси выведенного электронного пучка при изменении номинальной энергии ускоренных электронов.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является бетатрон МИБ-6Э, разработанный для интраоперационной электронной лучевой терапии (ИОЭЛТ). Бетатрон, имеет фиксированную номинальную энергию. При этом система управления бетатрона допускает возможность менять энергию ускоренных электронов, изменяя время ускорения. Однако, бетатроны, предназначенные для ИОЭЛТ, имеют систему формирования полей облучения соосную с выведенным электронным пучком. При изменении номинальной энергии ускоренных электронов, происходит смещение оси выводимого электронного пучка, что приводит к нарушению соосности пучка и коллиматорной системы формирования полей облучения. Это, в свою очередь, приводит к недопустимому искажению полей облучения, как по равномерности, так и по симметричности. Данная особенность бетатрона значительно ограничивает его применение в интраоперационной электронной лучевой терапии, так как не позволяет менять глубину проникновения, определяемую энергией электронов, и формировать максимум поглощенной дозы на заданной глубине в зависимости от локализации и анатомических особенностей патологического очага.

Задачей изобретения является создание бетатрона с корректировкой оси выведенного электронного пучка, способного работать в широком диапазоне энергий.

Техническим результатом является система вывода, позволяющая оперативно корректировать ось электронного пучка, выведенного из ускорительной камеры бетатрона, сохраняя неизменным пространственное положение оси пучка, при изменении энергии ускоренных электронов.

Технический результат достигается за счет того, что заявленное решение позволяет, контролируемо изменять траекторию выведенного электронного пучка в краевом поле бетатрона.

Заявляемое устройство иллюстрируется фиг.1, где изображены: ускорительная камера 1, секторная обмотка 2, центральная обмотка 3.

Заявляемое устройство состоит из центральной и секторной обмотки. Обе обмотки состоят из двух полуобмоток, соединенных согласно последовательно и расположенных сверху и снизу, вакуумной ускорительной камеры. Обмотки выполнены из медной фольги на стеклотекстолитовой подложке. Центральная обмотка крепится к полюсам электромагнита. Секторная обмотка должна иметь возможность вращаться для определения оптимального азимута. Витки центральной обмотки должны находиться внутри радиуса равновесной орбиты R₀. Секторная обмотка может быть или петлевая или внутриорбитная. Изменение азимутальной протяженности секторной обмотки в пределах 90-270° не влияет на эффективность вывода.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На фиг.2 представлено распределение магнитного поля бетатрона. Кривая 1 демонстрирует распределение индукции магнитного поля от радиуса и характеризует распределение силы Лоренца. Кривая 2 демонстрирует распределение средней индукции магнитного поля внутри орбиты от радиуса и характеризует распределение центробежной силы. Первая точка пересечения кривых, где силы равны, определяет радиус равновесной орбиты R₀. На радиусах меньше радиуса равновесной орбиты, преобладает центробежная сила, а на радиусах больше радиуса равновесной орбиты, преобладает сила Лоренца. Такое распределение магнитного поля по радиусу обеспечивает необходимую фокусировку электронного пучка. Вторая точка пересечения кривых определяет радиус орбиты освобождения от радиальных фокусирующих сил магнитного поля R_осв. На радиусах больше радиуса орбиты освобождения, преобладает центробежная сила. Магнитное поле внутри орбиты освобождения, является областью радиальной устойчивости, а магнитное поле на радиусах больше радиуса орбиты освобождения является краевым магнитным полем бетатрона. Радиус орбиты освобождения связан с радиусом равновесной орбиты жесткостью магнитного поля (B₀R₀=B_освR_осв). Очевидно, что изменение радиуса равновесной орбиты, изменит радиус орбиты освобождения. Изменить радиус равновесной орбиты, возможно приращением центрального магнитного потока, внутри равновесной орбиты. На фиг.3 иллюстрируется, как изменение радиуса равновесной орбиты изменяет радиус орбиты освобождения. Увеличение радиуса равновесной орбиты уменьшает радиус орбиты освобождения, смещая в более сильное магнитное поле. Экстремум данной функции находится на радиусе R_n=1, где показатель спада магнитного поля равен единице. При достижении радиуса R_n=1 происходит вырождение равновесной орбиты (фиг.4). В отсутствии радиальных фокусирующих сил магнитного поля, электронный пучок движется по незамкнутой орбите, в краевом магнитном поле бетатрона. Дальнейшее приращение центрального потока смещает электронный пучок в более слабое краевое магнитное поле. Таким образом, возможно, реверсивно корректировать ось выведенного электронного пучка. Изменение радиуса равновесной орбиты, приращением центрального магнитного потока, от R₀ до R_n=1, смещает радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле, что уменьшает радиус криволинейной траектории выведенного электронного пучка. Большее приращение центрального потока вызывает вырождение равновесной орбиты и смещение электронного пучка, в более слабое магнитное поле, увеличивая радиус криволинейной траектории пучка.

Диапазон корректировки оси выведенного электронного пучка приращением центрального потока до вырождения равновесной орбиты ограничен радиусом, где показатель спада магнитного поля равен единице R_n=1. Чем меньше исходный радиус равновесной орбиты, тем больше диапазон корректировки. Диапазон корректировки приращением центрального потока после вырождения равновесной орбиты ограничен стенкой ускорительной камеры. Радиальный размер улитки ускорительной камеры на азимуте вывода электронного пучка должен быть максимально возможный, для достижения максимального диапазона корректировки.

В бетатроне с корректировкой оси выведенного электронного пучка, в качестве исходной оси пучка целесообразно использовать ось на средней номинальной энергии. Для бетатрона с номинальной энергией 4-6 МэВ, исходную ось пучка необходимо задать на энергии 5МэВ. Для энергии 4МэВ производить корректировку оси приращением центрального магнитного потока до вырождения равновесной орбиты, смещая радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле, а для энергии 6МэВ производить корректировку оси приращением центрального магнитного потока после вырождения равновесной орбиты, смещая радиус орбиты освобождения в более слабое магнитное поле. Вывод электронного пучка на энергии исходной оси осуществляется только секторной обмоткой.

Секторная обмотка обеспечивает не симметричное смещение электронов с равновесной орбиты осуществляя вылет в краевое магнитное поле на заданном азимуте в заданном направлении. Приращение центрального магнитного потока осуществляется центральной обмоткой. В обоих обмотках формируются квазитреугольные, однополярные импульсы тока. Каждая обмотка должна иметь свой независимый формирователь импульсов. Для достижения оптимальных параметров формирователь импульсов тока должен иметь возможность регулировки амплитуды импульсов и их длительности. Корректировка оси выведенного электронного пучка осуществляется регулировкой задержки между импульсами тока секторной и центральной обмоток.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке бетатронов с выведенным электронным пучком. Технический результат - возможность оперативно корректировать ось электронного пучка, выведенного из ускорительной камеры бетатрона, сохраняя неизменным пространственное положение оси пучка, при изменении энергии ускоренных электронов. Устройство состоит из центральной и секторной обмотки. Секторная обмотка обеспечивает несимметричное смещение электронов с равновесной орбиты, осуществляя вылет в краевое магнитное поле на заданном азимуте в заданном направлении. Центральная обмотка обеспечивает приращение центрального магнитного потока и смещает радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле до вырождения равновесной орбиты, а после вырождения равновесной орбиты смещает электронный пучок в более слабое магнитное поле. Таким образом, возможно реверсивно корректировать ось выведенного электронного пучка и нивелировать изменение траектории пучка при изменении энергии ускоренных электронов. Корректировка оси выведенного электронного пучка осуществляется регулировкой задержки между импульсами тока секторной и центральной обмоток. 4 ил.

Бетатрон с корректировкой оси выведенного электронного пучка, имеющий систему вывода, состоящую из секторной обмотки и центральной обмотки, отличающийся тем, что система вывода электронного пучка имеет центральную обмотку, расположенную внутри равновесной орбиты, магнитное поле которой создает приращение центрального магнитного потока, смещая радиус орбиты освобождения в более сильное магнитное поле до вырождения равновесной орбиты и смещая электронный пучок в более слабое магнитное поле после вырождения равновесной орбиты, нивелируя изменение траектории пучка и сохраняя неизменным пространственное положение оси пучка при изменении энергии ускоренных электронов.